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PLC的通信与自动化通信网络6.1计算机通信概述6.1.1串行通信1．并行通信与串行通信并行数据通信以字节或字为单位传输数据，已很少使用。串行数据通信每次只传送二进制数的一位。最少只需要两根线就可以组成通信网络。2．异步通信与同步通信接收方和发送方的传输速率的微小差异产生的积累误差，可能使发送和接收的数据错位。异步通信采用字符同步方式（见图6-1），通信双方需要对采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。接收方将停止位和起始位之间的下降沿作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。奇偶校验用硬件保证发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数为偶数或奇数。接收方用硬件对接收到的每一个字符的奇偶性进行校验，如果奇偶校验出错，SM3.0为ON。可以设置为无奇偶校验。同步通信的发送方和接收方使用同一个时钟脉冲。接收方可以通过调制解调方式得到与发送方同步的接收时钟信号。3．单工通信与双工通信单工通信只能沿单一方向传输数据，双工通信每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。全双工方式通信的双方都能在同一时刻接收和发送数据。半双工方式通信的双方在同一时刻只能发送数据或只能接收数据。4．传输速率单位为bit/s或bps。6.1.2串行通信的端口标准1．RS-232CRS-232C的最大通信距离为15m，最高传输速率为20kbit/s，只能进行一对一的通信。RS-232C使用单端驱动、单端接收电路，容易受到公共地线上的电位差和外部引入的干扰信号的影响。2．RS-422ARS-422A采用平衡驱动、差分接收电路，因为接收器是差分输入，两根线上的共模干扰信号互相抵消。在最大传输速率10Mbit/s时，最大通信距离为12m。传输速率为100kbit/s时，最大通信距离为1200m，一台驱动器可以连接10台接收器。6.2计算机通信的国际标准6.2.1开放系统互连参考模型物理层的下面是物理媒体，例如双绞线、同轴电缆和光纤等。物理层定义了传输媒体端口的机械、电气功能和规程的特性。数据链路层的数据以帧为单位传送，每一帧包含数据和同步信息、地址信息和流量控制信息等。通过校验、确认和要求重发等方法实现差错控制。应用层为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。3．RS-485RS-422A是全双工，用4根导线传送数据。RS-485是RS-422A的变形，为半双工，使用双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统。6.2.2IEEE802通信标准1．CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）的基础是以太网。每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上，“先听后讲”和“边听边讲”。其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。以太网越来越多地在底层网络使用。2．令牌总线令牌绕逻辑环周而复始地传送。要发送报文的站等到令牌传给自己，判断为空令牌时才能发送报文。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，如果报文已被接收站复制，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其他站使用。3．令牌环用得少4．主从通信方式主从通信网络有一个主站和若干个从站。主站向某个从站发送请求帧，该从站接收到后才能向主站返回响应帧。主站按事先设置好的轮询表的排列顺序对从站进行周期性的查询。6.2.3现场总线及其国际标准1．现场总线IEC对现场总线的定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。2．现场总线的国际标准（1）IEC61158IEC61158第4版采纳了经过市场考验的20种现场总线（见表6-1）。其中约一半是实时以太网。（2）IEC62026IEC62026是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准。6.3基于以太网的S7协议通信6.3.1S7-200SMART之间的以太网通信1．S7协议S7协议是专为西门子控制产品优化设计的通信协议，它是面向连接的协议。S7-200SMART只有S7单向连接功能。单向连接中的客户机（Client）是向服务器（Server）请求服务的设备，客户机调用GET/PUT指令读、写服务器的存储区。服务器是通信中的被动方，用户不用编写服务器的S7通信程序，S7通信由服务器的操作系统完成。2．GET指令与PUT指令GET指令从远程设备读取最多222B的数据。PUT指令将最多212B的数据写入远程设备。连接建立后，该连接将保持到CPU进入STOP模式。3．用GET/PUT向导生成客户机的通信程序用GET/PUT向导建立的连接为主动连接，CPU是S7通信的客户机。通信伙伴作为S7通信的客户机时，不需要用GET/PUT指令向导组态，建立的连接是被动连接。在第1页（操作）生成名为“写操作”和“读操作”的两个操作。最多允许组态24项独立的网络操作。通信伙伴可以具有不同的IP地址。在第2、3页设置操作的类型分别为PUT和GET、要传送的数据的字节数、远程CPU的IP地址、本地和远程CPU保存数据的起始地址。在第4页（存储器分配）设置用来保存组态数据的V存储区的起始地址。第5页（组件）显示用于实现要求的组态的项目组件默认的名称。在第6页（生成）单击“生成”按钮，自动生成用于通信的子程序等。4．调用子程序NET_EXE客户机和服务器的程序首次扫描时将保存接收到的数据的地址区清零，给要发送的地址区置初始值。每秒钟将要发送的第一个字VW100加1。5．S7-200SMART之间的以太网通信实验将用户程序和系统块下载到作为客户机和服务器的两块CPU。用以太网电缆连接编程计算机、客户机和服务器，令CPU运行在RUN模式，如果通信成功，可以看到双方接收到的第一个字VW300每秒钟加1，接收到的其他的字应是对方用FILL_N指令写入的初始值。6.3.2S7-200SMART与其他S7PLC的以太网通信1．S7-300作客户机的S7通信在S7通信中，S7-300/400作客户机，S7-200SMART作服务器。在STEP7的硬件组态工具中，设置以太网端口的IP地址和子网掩码。在网络组态工具中，创建一个S7连接，连接伙伴为默认的“未指定”。在S7连接属性对话框中，设置S7-200SMART的IP地址和双方的TSAP（传输层服务访问点）。连接由S7-300/400建立。在S7-300/400的OB1中调用功能块GET/PUT来读写S7-200SMART的数据区。2．S7-1200作客户机的S7通信S7-1200有集成的以太网端口，在博途中设置S7-1200的IP地址和子网掩码，生成以太网，添加一个S7连接。连接伙伴为“未指定”，由S7-1200建立连接。在该连接的属性视图的“属性”选项卡中，设置S7-200SMART的以太网端口的IP地址和通信双方的TSAP。在OB1中调用GET和PUT功能块来读写S7-200SMART的数据区。3．S7-1200作服务器的S7通信S7-200SMART作客户机的程序见例程“以太网客户机”。在S7-1200的项目中，只需要设置S7-1200的IP地址和子网掩码，不用编写通信程序。6.4PPI网络1．S7-200SMART的串行通信端口S7-200SMARTCPU有一个集成的RS-485端口（端口0），还可以选配一块RS232/RS485CM01信号板（端口1），它们分别可以与变频器、人机界面（HMI）等设备通信，每个端口支持4个HMI设备。RS-485每个网络最多可以有126个节点。中继器用来将网络分段，每个网段最多32个设备，网络中各设备的地址不能重叠。12Mbit/s时最大传输距离为100m，187.5kbit/s时为1000m。4．网络连接器终端电阻可吸收网络上的反射波，有效地增强信号强度。网络终端的连接器上的开关应放在On位置（接入终端电阻），网络中间的连接器上的开关应放在Off位置。5．网络中继器中继器用来将网络分段，每个网段最多32个设备，中继器可扩展网络长度。6．PPI协议PPI是一种主站-从站协议，HMI是通信主站，S7-200SMART在通信网络中作为从站。6.5自由端口模式通信6.5.1通信指令1．自由端口模式自由端口模式由用户自定义与其他设备通信的协议。ModbusRTU通信协议和USS协议就是自由端口模式的通信协议。RS-232/PPI多主站电缆和将USB映射为COM口的国产USB/PPI电缆支持自由端口通信。2．自由端口模式的参数设置CPU处于STOP模式时，自由端口模式被禁止，CPU通过PPI协议与编程设备通信。只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由端口模式。自由端口模式用控制字节SMB30/130设置端口的波特率和奇偶校验等参数（见表6-6）。3．发送指令XMT发送指令可发送1~255字节的数据。发送缓冲区的第一个字节是要发送的字节数，它本身并不发送出去。4．接收指令RCV接收指令RCV用于起动或终止接收消息的服务。接收结束后产生中断。消息接收的状态字节见表6-7。5．接收指令开始接收数据的条件见表6-8。6．接收指令终止接收的方式见表6-8。6.5.2自由端口模式的串行通信程序设计1．接收消息的过程采用主从方式和异或校验，计算机为主站，PLC为从站。1）在逻辑条件满足时，启动RCV指令，进入接收等待状态。2）在设置的消息起始条件满足时，进入消息接收状态。3）如果满足了设置的消息结束条件，CPU结束消息的接收，退出接收状态。【例6-1】用RCV指令和接收完成中断接收数据。用空闲线条件和初始字符作为消息开始的条件。用消息定时器来结束消息接收，最大字符数为20。消息定时器的定时时间为实际的传输时间的1.5倍。采用异或校验保证通信的可靠性。RCV指令的数据缓冲区的第一个字节VB100用来累计接收到的字节数，它本身不是接收到的。6.5.3串口通信调试软件与串口通信实验1．USB/PPI适配器USB/PPI适配器用于连接计算机的USB端口和S7-200SMART的串行端口。某些国产的USB电缆实际上是USB/RS-232C转换器和PC/PPI适配器的组合，它将USB端口映射为一个RS-232C端口（俗称为COM口）。2．计算机与PLC串口通信的组态安装好USB电缆的驱动程序后，USB端口被映射为RS-232C端口（例如COM3）。在控制面板中打开“设置PG/PC接口”对话框。选中通信接口列表中的“PC/PPICable（PPI）”，单击“属性”按钮，设置传输速率和计算机与PLC通信使用的映射的COM端口。3．串口通信调试软件简介可以选择字符串、十进制或十六进制这3种数据格式，可计算常用的校验码，生成常用的多种协议格式的帧。6．串口通信调试软件应用实例将例程“接收完成中断Port0通信”下载到CPU，将CPU切换到RUN模式。关闭编程软件，打开串口通信调试软件，设置端口的参数。将要发送的十六进制数输入“发送帧”文本框。单击“计算校验码”按钮，再单击“异或”按钮，将生成的校验码附在“发送帧”文本框中数据字节之后。添加起始字符16#FF。单击“发送”按钮，应能接收到PLC返回的内容相同的消息。关闭串口通信调试软件，将CPU切换到STOP模式。打开编程软件，用状态图表观察从VB100开始的接收缓冲区中的数据。发送一个错误的校验码，显示接收超时，校验错误指示位Q1.0被置为ON。6.6Modbus协议在通信中的应用6.6.1Modbus通信协议Modbus串行链路协议是主-从协议，有一个主站，1～247个子站。RTU模式用循环冗余校验（CRC）进行错误检查，消息最多256B。通信端口被Modbus通信占用时，不能用于其他用途。6.6.2ModbusRTU从站协议通信的编程用S7-200SMART作Modbus从站，其程序见图6-29。其V存储区（保持寄存器）的起始地址HoldStart为VB200，库存储区的起始地址为VB2200。3个Max参数是主站可访问的I、Q和保持寄存器的最大个数。1．MBUS_INIT指令首次扫描时执行一次MBUS_INIT指令，初始化Modbus从站协议。设置从站地址为1，端口0的波特率为1